常用水质评价方法的选择.doc

常用水质评价方法的选择毛兴华（上海市水文总站 上海 200232）摘要 本文重点分析了最差因子判别法、有机污染综合指数评价法、主分量分析法和基于模糊理论的贴近度综合评价法这四种方法的特点，并以上海市为例对这四对方法进行了实际应用。结果表明，最差因子判别法评价的水质较差，而基于模糊理论的贴近度综合评价法评价的水质又过于乐观，有机污染综合指数评价法需要多次计算，多次比较，比较繁琐。主分量分析法充分考虑了各参评因子的权重，评价过程只需要通过一次计算，就能得出一个判别式和判别标准，以后评价时可以直接使用，而且评价结果符合实际情况，因此是一种比较好的评价方法。关键词 水质 评价 方法1 问题的提出在涉及到水环境的工程问题和科学研究中，常常需要对水环境的质量进行分析和评价。解决问题的性质不同，需要采用的分析评价方法也不相同，由于地区差异而形成的水污染的特点不同，也会影响到评价方法的选择。从大的方面来讲，水环境评价主要有单因子评价和多因子综合评价两种类型，例如地表水环境质量标准（GB3838-2002）就规定：“地表水环境质量评价应根据应实现的水域功能类别，选取相应类别标准，进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标项目和超标倍数”。单因子评价方法比较简单，不再赘述，本文主要讨论水环境质量的多因子综合评价问题。一般来讲，在水环境多因子综合评价中，需要考虑三个方面的因素：评价对象总体污染状况和特点；评价因子的选择；评价方法的选择。对于同一个地区，选择相同的评价参数，不同的评价方法得出的评价结果应该基本相同，如果评价结果差别较大，可以断定为某些方法的使用肯定是不合适的，因为方法的不同不应该影响到结果的不同，只能是“异曲同工”，而不能是“异曲异工”。在这样的前提下，选择什么样的评价方法就应该主要考虑操作的简单易懂、实用和稳定性这些方面。2 几种常用评价方法概述水环境质量的综合评价有很多方法，如最差因子判别法，有机污染综合指数评价法，主分量分析法1，模糊综合评价法2，人工神经网络模型3，遗传算法4，等等。这些评价方法各有特点，本文着重对前四种较常用的评价方法作一简要的评述。2.1 最差因子判别法最差因子判别法是根据几种评价因子中污染最为严重的那个因子所属的水质类别来确定水体的总体水质类别。最差因子判别法是操作最为简单的一种水质综合评价方法，只要依次判别出所选择的每个因子的水质类别，然后以最差的那个类别作为水质综合评价的类别就行了。不过这是一种最为悲观的评价方法，因为只要有一项因子污染严重，则不论其它因子的污染程度如何，综合水质类别都是很差的。2.2 有机污染综合指数评价法有机污染综合指数评价法主要是针对水体有机污染的一种综合评价方法，它根据溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量这四项指标的等标污染指数的和来判断水质的综合指标。其计算方法如下： （1）上式中带下标“i”的项为该指标的实测值；带下标“0”的项为该指标某一类水标准的上限值。由于溶解氧含量越高，水质越好，上式中溶解氧前面为减号。A值越大，说明有机污染程度越严重，反之则说明有机污染较轻。由上式不难看出，假如取III类水标准上限值计算，得出AIII2则说明有机污染总体上劣于III类水，对于取其它标准级别的上限值，也有类似的含义。有机污染综合指数评价法能比较好地反映出水体的有机污染情况，而且计算也比较简单，因而应用比较广泛。但它也存在一些不足之处，该方法把四项因子同等重要地看待，没有考虑它们重要性的差别，即没有考虑权重问题。另外，一旦选定了某一水质类别，用上式计算的结果只能判别出水质优于或者劣于这一水质类别，如果要判别水体有机污染到底属于哪一类别，就需要把各级水质类别的上限值代入上式，多次计算，这也是比较麻烦的。2.3 主分量分析法用主分量分析法进行水质综合主评价的步骤是，首先用分指数公式将各评价因子的实测数据标准化，然后对标准化数据矩阵进行主分量分析，计算其特征值和特征向量，并确定公共因子数目和因子荷载，最后将这些因子线性综合成一个度量环境质量的综合指标。主分量分析法其实就是线性代数中的主成分方法。主分量分析法的计算过程稍显复杂，其中涉及到了矩阵运算，尤其当涉及到多个评价因子，多个参与评价的站点时计算更复杂。但这些计算过程可以通过编程的方式进行，也可以直接使用功能十分强大的矩阵运算软件Matlab。主分量分析法的最大优势在于它充分考虑了各个评价因子在综合评价中的不同作用，评价因子的作用越大，在主分量分析中所占的权重也越大。另外，主分量分析法的最终结果是一个由各个评价因子的组成的代数式，只要将各因子的实测值代入计算，即可方便地得出水质综合指标。2.4 基于模糊理论的贴近度综合评价法水环境质量评价实际上是依据水体污染物浓度的分级标准，比较待评价的水体各污染物实测值与某级标准浓度最接近，则它就被认为符合该级水环境质量。因此水环境质量综合评价实际上是一个多指标的模式识别问题。但是水环境质量的好坏和评定等级的划分，其界限是模糊的，没有一个确定的等级边界，因此用基于模糊理论的贴近度来进行综合评价，能够得到接近客观实际的结果。水环境质量贴近度综合评价的步骤如下：（1）选择参评因子（假设选定了n个因子，i=1，2，n）并计算各参评因子各级标准值（水环境质量标准级数，j=1，2，m）的隶属度，以下式计算： （2）（2）计算各因子实测值的隶属度，以下式计算； （3）上述（2）、（3）两式中，Sij为第i因子的第j级标准值，Ci为i因子的实测值，H为一正整数，并且需要满足（Ci/HSij）1。（3）计算各级标准下A与B的贴近度，以下式计算： （4）下标i的意义同上。对于m个级别的水环境质量标准，总共可以计算出m个贴近度。根据贴近度评价的择近原则，取m个贴近度中最大的贴近度所属的水质类别作为评价水体的总体水质类别。这种基于模糊理论的评价方法概念比较清晰，虽然公式看上去较复杂，但实际计算较简单，因此使用也较广。不过，这种方法也没有考虑各因子的权重。3 实例计算比较上述几种方法在理论和操作上可谓各有千秋，在实际应用中又如何呢？笔者以上海市若干水质监测站多年的水质监测成果为例，分别采用这几种方法对水质进行了综合评价和对比。考虑到上海的水质污染主要为有机污染，本文选取溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、高锰酸盐指数（CODMn）和五日生化需氧量（BOD5）共四项作为参评因子。最差因子判别法和有机污染综合指数法比较简单，不再叙述。下面将后两种方法的计算过程略作说明。3.1 主分量分析法本方法以地表水环境质量标准（GB3838-2002）的V类标准对数据标准化处理，分别计算了19982003年共6年的因子荷载系数，然后求其平均值后作为最终的因子荷载。这样计算出的荷载系数是比较稳定的，能够代表上海的实际情况。各评价因子的荷载系数如表1所示，表1说明，上海市水环境有机污染中氨氮的影响最大，其次是溶解氧，再次是五日生化需氧量，最后是高锰酸盐指数。表1 评价因子的荷载系数DONH3-NCODMnBOD52.0585.0371.4101.559这样，上海市水环境质量主分量分析的综合指标如下式所示： （5）化简后得：A=4.116/DO+2.519NH3-N+0.094CODMn+0.156BOD5 （6）上式中的DO等为实际监测值，不需要再标准化。将IV类水标准上限值代入（6）式，即可得出主分量分析法的水质类别判断指标值如下：表2 主分量分析法水质判别准则水质类别IIIIIIIVV劣VA值（）1.22.84.57.010103.2 贴近度综合评价法贴近度综合评价法要求出各级水质标准的隶属度，然后再计算实测资料相对于各级标准的贴近度，并以最大的贴近度所属类别作为水质综合类别。由于地表水环境质量标准（GB3838-2002）只有五级标准，用这种方法就无法判别出水质是属于V类还是劣V类。为解决这个问题，笔者根据各级标准评价因子的浓度值特点，假设了水质劣于V类时各评价因子应达到的浓度，和五级标准一起共组成六级标准，以此来作贴近度综合评价。表3 水质劣于V类时评价因子的假设浓度（mg/L）DONH3-NCODMnBOD51.532015四种方法评价结果如表4所示。表4 上海市2003年各水质监测点评价结果对比溶解氧氨氮高锰酸盐指数五日生化需氧量最差因子判别法有机污染指数法主分量分析法贴近度评价法陈镇7.41 0.376 3.32 1.32 IIIIIIII新建7.21 0.467 3.58 1.54 IIIIIIII练塘6.36 0.425 5.71 2.39 IIIIIIIII夏字圩5.97 0.619 6.86 3.23 IVIIIIIIII三角渡5.22 0.649 7.46 3.53 IVIIIIIIIII松浦大桥5.07 0.819 6.75 2.95 IVIIIIIIIII吴泾3.35 0.765 6.72 2.56 IVIIIIIIIII金汇港北闸4.70 1.051 5.96 5.13 IVIVIVIII大治河西闸4.72 1.064 6.15 5.37 IVIVIVIII泖港4.65 1.350 7.92 3.98 IVIVIVIII川沙6.91 1.805 4.36 1.65 VIIIIVIII吴淞口4.63 1.850 6.53 4.31 VIVIVIII大治河东闸4.09 1.806 7.34 5.44 VIVVIV陆家渡桥4.67 2.988 5.51 2.22 劣VIVVIII新场3.35 3.170 8.37 5.20 劣VV劣V类IV北干山3.83 3.815 7.33 4.67 劣VV劣V类IV方泰2.85 3.710 7.95 5.09 劣VV劣V类IV吴淞大桥2.28 3.925 7.99 8.10 劣V劣V劣V类V白鹤4.12 4.738 8.23 6.08 劣VV劣V类IV华漕2.78 4.674 8.41 6.53 劣V劣V劣V类IV浙江路桥2.34 5.807 8.92 6.41 劣V劣V劣V类IV武宁路桥1.98 5.906 9.18 6.71 劣V劣V劣V类V七莘路桥1.41 6.685 8.30 4.80 劣V劣V劣V类劣V杨思1.51 6.851 6.99 4.58 劣V劣V劣V类劣V塘桥0.65 7.515 9.09 7.53 劣V劣V劣V类劣V从表4可见，最差因子判别法得出的水质相对较差，接下来是主分量分析法，贴近度综合评价法得出的水质最好。笔者认为，最差因子判别法过于悲观，而贴近度综合评价法又过于乐观，都不可取。有机污染综合指数评价法需要对A值作多次计算，多次判断，显得较繁琐。主分量分析法充分考虑了各参评因子的权重，评价过程只需要通过一次计算，就能得出一个判别式和判别标准，以后评价时可以直接使用，而且评价结果符合实际情况。因此笔者推荐使用主分量分析法。4 结论水环境质量综合评价的方法很多，其复杂性和评价结果的可信度也有差异。在综合考虑各种方法特点的基础上，笔者认为主分量分析法是一种比较好的评价方法，应作为水质综合评价的优选方法。参考文献1 李作泳,丁晶,彭荔红.环境质量评价原理与方法M.北京:化学工业出版社,2004年2 王红丹.用贴近度进行大气质量综合评价J.上海环境科学,1989,8(6):22-24,143 李作泳.B-P网络用于水质综合评价方法的研究J.环境工程,1995,13(2):51-534 楼文高,王延政.基于B-P网络的水质综合评价模型及其应用J.环境污染治理技术与设备,2003,4(8